新加坡南洋理工大學魏磊、七院院士高華建教授和中科院蘇州奈米所張其衝、中科院深圳先進技術研究院陳明合作報道了在高效能半導體纖維方面的最新突破，論文以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”為題，發表在《Nature》。
試想一下，一頂可清洗的帽子可以幫助盲人感知交通訊號燈的變化，或者一件衣服可以在穿戴者穿梭於博物館時充當導遊。這些技術可以利用配備了能檢測和處理訊號的半導體器件的智慧柔性纖維來實現，而且這種纖維的效能在過去幾年中得到了飛速發展。然而，現有的製造方法可能會生產出半導體芯斷裂、有缺陷的線。
本文報告了一種創新方法，即把微小的半導體元件送入拉縴機，從而製造出連續的高效能柔性纖維，這種纖維可以相互感應、通訊和互動。
【設計策略】
人類從石器時代就開始使用纖維，但將其功能擴充套件到簡單隔熱之外的嘗試更為現代。將半導體器件整合到纖維中的挑戰之一涉及耐磨性：纖維必須具有柔韌性和可扭曲性，以便可以編織；可水洗，可重複使用；且透氣，使穿著舒適。許多研究人員透過建立由非晶半導體材料製成的智慧光纖裝置來優先考慮這些功能。然而，結合傳統的矽基半導體預計將帶來優異的電子特性和效能。
另一種方法是生成帶有矽芯的玻璃包層光纖，但這種技術（稱為熔芯法）通常會導致光纖容易斷裂並含有缺陷。
本文首先對製造過程進行詳細的力學分析，以確定引起斷裂的應力源，從而克服了這個問題。熔芯法首先將由矽或鍺製成的半導體線插入玻璃管內（圖 1）。這兩種材料都被加熱到至少 1000 °C，直到它們足夠軟，可以拉成細絲，然後冷卻。
圖 1. 半導體光電光纖的設計和製造
研究人員確定了應力形成分為兩個階段：芯材凝固階段和纖維冷卻的後續階段。具體來說，他們發現玻璃的粘性和金屬絲的熔點不匹配會導致纖芯產生應力，材料的熱膨脹率不同也會產生應力。作者的研究表明，這兩個問題都可以透過選擇正確的材料組合來緩解：矽芯與超韌矽玻璃製成的包層配合使用效果很好，而鍺芯與鋁矽酸鹽玻璃包層配合使用效果更好。
【效能分析】
生產出的光纖無斷裂且質量上乘，但玻璃包層影響了其適用性。因此，將冷卻後的纖維浸入氫氟酸中，去除外層玻璃，留下半導體芯。然後，將半導體芯與導電線一起放入聚合物管中。整個結構再次加熱，然後拉成可長達數百米的柔性纖維。由此形成的纖維具有 p-n 結的形式，而 p-n 結是現代電子器件的基本組成部分，可以將光訊號轉換為電流。這個過程讓人聯想到製作紡絲糖--如果在糖中嵌入微小、可控的電子元件的話。
圖 2. 熔芯法中的應力分析和毛細管不穩定性
【功能應用】
作者表明該纖維可用於製造多種裝置。在一個例子中，作者將纖維編織成一頂帽子，可用於感知交通燈訊號。帽子收到的訊號被髮送到手機，當燈變紅或變綠時，手機就會發出蜂鳴聲。在另一個案例中，纖維被編織成毛衣，用作光保真(Li-Fi)裝置，這種技術以光頻率而不是5G等無線網路使用的射頻傳輸資料。毛衣檢測到被編碼為光脈衝的影象訊號，然後第二個裝置對這些訊號進行解碼以重建影象。
作者還將他們的智慧纖維編織成靈活的腕帶，其效能優於類似的心率監測裝置。目前可用的裝置通常使用剛性感測器，該感測器不會彎曲到手腕的形狀，因此可能會產生不準確的測量結果。 本文的光纖效能與這些商用矽器件相當，但它們還可以承受高壓縮，例如在 3000 米水下深度所經歷的壓縮。作者展示了他們的腕帶可用於檢測潛艇周圍的可見光。
該技術的另一個關鍵優勢是它的工業就緒性。製造纖維的儀器包括一個纖維牽引裝置，該裝置用於生產電信行業的商用光纖。一旦纖維生成，就可以使用紡織業已經廣泛使用的工具將其編織成織物。
圖 3. 光電纖維、織物和代表性應用
【意義與前景】
本文的研究成果是將微型計算機嵌入日常服裝的一個飛躍。未來一個令人興奮的方向是為纖維配備更復雜的器件，如電晶體，並提高這些功能元件的密度。目前的方法有一個侷限性，那就是它需要一個後處理步驟，才能將質量極高的（單晶）半導體融入纖維中。找到在製造過程中嵌入這些材料的方法，將拓寬纖維的電子和光電應用範圍。
此外，纖維中嵌入的電線很容易與現有的計算機硬體連線，因此這項技術在開發整合人機系統的過程中可能會大有用武之地。因此，這項工作讓人們能夠想象新一代的智慧纖維和織物，它們能夠讓個人與周圍環境無縫連線，讓他們的日常體驗完全身臨其境。
來源：高分子科學前沿
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